真空可以傳熱嗎？最近，科學家們通過一個巧妙的實驗，發現了熱傳遞的新方式——真空傳「聲」，即原子振動能可通過「量子漲落」在真空中傳播。這給包括集成晶片散熱在內的一些棘手問題提供了解決思路。
量子漲落使得聲子可以在真空中傳遞熱量 | 張翔（論文作者）作者 | 龍浩 微電子學與固體電子學博士
責編 | 高佩雯
冬日裡最愜意的事，莫過於沐浴午後暖陽，泡一壺熱茶，安靜的享受慵懶和難得的慢時光。手握茶杯時，杯壁上數以億計不停振動的原子通過碰撞，將熱量傳導到皮膚，這是「熱傳導」讓手心感覺到溫暖。科學家們把物體中原子振動的能量載體稱作「聲子」，換句話說，熱傳導是由介質中的聲子（原子振動）實現的。
開水的熱量通過茶杯杯體中的原子振動，即聲子傳遞到人的手上 | pixabay
當水溫過高，由茶杯傳導到皮膚的劇烈的原子振動會讓人感覺燙手。這時，我們需要的是一隻真空保溫杯，利用真空將保溫杯內外壁隔開。由於真空中沒有介質，原子振動不復存在（即無法通過聲子傳遞熱量）。這樣，保溫杯外壁的溫度就會遠低於內壁，不再燙手了 。
你一定會想，難道真空就不能傳遞熱量嗎？太陽的熱量不就到達地球上了嗎？
沒錯，「熱輻射」是熱傳遞的另一種方式，能夠在沒有介質的真空中通過電磁波傳遞熱量。這正是距離我們1.5億公裡、表面溫度大約5500℃的太陽溫暖我們的方式。科學家們把電磁波的能量載體稱作「光子」，換句話說，熱輻射是依靠光子實現的。
太陽的熱量通過電磁波，即光子傳遞到地球上 | pixabay光子的傳輸不需要介質，在真空中也能進行。儘管真空保溫杯的內壁會向外壁進行熱輻射，但是這種光子作用下的導熱速率遠不及聲子作用下的熱傳導速率，所以真空保溫杯的隔熱作用依然顯著。
這一切仿佛並沒有什麼問題。可是，讓無數科學家都困惑不解的量子力學，卻總能給人們帶來不一樣的觀點。
就在上個月，科學家們通過實驗證明：在數百納米的微觀尺度（距離）內，真空也是可以傳遞聲子的。並且，通過這種全新方式的熱量傳遞，比熱輻射要有效率得多。這是怎麼回事呢？
神奇的卡西米爾力：真空可以傳遞原子振動
早在1948年，荷蘭物理學家亨德裡克·卡西米爾（Hendrik Casimir）基於量子力學理論，通過計算，提出了一種似乎有違常理的結論：由於一種被稱為「量子漲落」（Quantum Fluctuation）的量子效應，在真空中相互靠近的兩塊平行金屬板會受到真空施加的壓力，這就是著名的卡西米爾力（Casimir Force）。該現象在1996年被美國物理學家S. K. Lamoreaux用實驗成功觀測到。
亨德裡克·卡西米爾力（左 | nationaalarchief.nl）
和卡西米爾力（右 | wikimedia）
該研究證明了「真空也能產生力的作用，真空不是真的空」。
如果將這個結論繼續延伸，就會從理論上推導出另一個匪夷所思的結果：當其中一片金屬板振動時，會引起真空中和它平行的另一片金屬板的振動，這就意味著，聲音可以在真空中傳播，因為聲音的本質就是物體振動。
從微觀層面看，這個推論說明了，原子振動可以影響被真空隔離的另一個物體的原子振動，即，聲子可以通過真空傳輸。這是一種在熱輻射之外的全新的真空熱傳遞方式！
可是，為什麼教科書上依然說，真空中只有熱輻射才能傳遞熱量？
主要原因是這個現象一直缺乏直接的實驗證據。就像很多人都知道的「量子隧穿」效應：在經典世界中（宏觀尺度上），嶗山道士想要穿牆只會頭破血流；而在微觀世界，電子穿「牆」卻輕而易舉。
同樣是基於量子力學推導出的卡西米爾效應，在宏觀上表現十分微弱，難以察覺，想要從實驗上觀測，必須在納米級的微觀尺度下進行，這使得它的實驗驗證十分困難。
新研究：觀測到真空中的聲子傳輸
不過，2019年12月11日，一項刊登在《自然》雜誌上的最新研究成果，通過巧妙和精確的實驗設計，完成了這項艱難的任務，首次觀測到了聲子通過真空傳播的現象。
來自加州大學伯克利分校的研究人員製作了兩塊直徑約為300微米（0.3毫米）、厚度僅為100納米的氮化矽薄膜，在正反面分別鍍上75納米的金膜，然後將兩塊氮化矽鍍金薄膜置於真空中。
研究人員將兩塊薄膜精確的平行放置，並同溫度差為25.5℃的兩個熱源分別連接。他們利用超低功率雷射光學幹涉方法進行非直接接觸式的溫度測量。
實驗裝置，可以製造真空環境並測量溫度 | 張翔（論文作者） 加州大學伯克利分校
結果發現，當兩塊薄膜距離較遠時，二者的溫度分別同各自連接的熱源溫度一致，溫差維持在25.5℃不變。然而，當逐漸減小平行薄膜的間距直至600納米時，神奇的現象出現了：它們的溫度差開始減小；直到間距縮小到350納米時，兩塊薄膜的溫度幾乎達到一致。
這說明，它們之間可以通過真空進行熱量傳遞。更加令人興奮的是，研究人員發現實驗結果同卡西米爾效應引起的真空聲子傳輸理論計算的結論驚人的一致。
這真是令人歡欣鼓舞的一刻。
真空可以傳遞原子振動，實驗結果與卡西米爾效應的理論計算結果驚人一致 | 張翔 加州大學伯克利分校
可是，依然會產生一個疑問：這樣的真空熱量傳遞可能是，或者至少有一部分是熱輻射嗎？
研究人員也曾擔心這個問題。他們通過理論計算得出，在實驗測試的距離範圍內，由於熱輻射造成的溫度影響應當小於0.02℃，並且通過實驗證實了理論推導的結果。這意味著，本實驗條件下兩塊薄膜之間的熱輻射對真空熱量傳遞的貢獻非常小；也說明在數百納米的距離下，聲子熱量傳輸速率遠遠高於熱輻射的導熱速率。
除此之外，研究人員也通過電壓補償的方式排除了靜電作用力的幹擾。
至此，研究人員把已知的影響因素悉數排除，卡西米爾力引起真空中聲子熱量傳遞的理論結果被實驗證實，也暗示了在特定條件下，宏觀的聲音可以經真空傳播。
量子冷卻：用「真空傳聲」解決集成晶片散熱問題這種在近距離條件下奇妙的熱傳遞方式，將可能顛覆現有集成電路晶片和其他微納電子器件的熱管理模式。新一代的集成電路晶片已經開始採用7納米工藝生產線，隨著電子元器件的密度增加，如何解決晶片散熱是十分棘手的難題，也成為了摩爾定律逐漸失效的重要原因之一。
維德曼-夫蘭茲定理（Wiedemann-Franz Law）告訴我們，良好的熱導體同時也會是良好的電導體。高效的熱傳導和致使電路導通（短路）的矛盾是微納電子器件散熱難題的癥結所在。利用這項真空傳輸聲子的研究，有望通過間隔數百納米非接觸的方式利用聲子作用快速傳遞熱量，達到「量子冷卻」的效果。
「真空傳聲」，有望解決高集成晶片散熱問題 | pixabay
「真空傳聲」和「量子冷卻」，這是量子力學在現實生活中新增的重要潛在應用領域。量子力學早已從科學家們的爭論裡逐漸走進了人們的生活，未來也將持續改變人們對世界的認知。
參考文獻：
[1]Fong, K. Y. et al., Nature 576, 243–247 (2019).
[2]Casimir, H. B. G., Proc. K. Ned. Akad. Wet. B 51, 793–795 (1948).
[3]Pendry, J. B., Sasihithlu, K. & Craster, R. V., Phys. Rev. B 94, 075414(2016).
[4]Lamoreaux, S. K., Phys. Rev. Lett. 78, 5-8 (1997).